campo magnético

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Disciplina: Física Experimental III
Campus: Santo Amaro
Professor: Sidney Fernandes Da Luz
Campo Magnético
Filipe da Silva Souza - 201807197591
Vinicius Carvalho Batista Gomes - 201601282753
Jenoberto Santos Nascimento - 201608244261
Mateus Verissimo Oliveira – 201703127501
		
São Paulo, SP
Novembro/2018
Introdução
Campo magnético é uma região que influencia um imã ou outros materiais ferromagnéticos ou paramagnéticos. Comparando Campo magnético com campo gravitacional ou elétrico, veremos que todos tem características semelhantes.
Quando se trata de física elétrica, cada carga cria em torno de si um campo elétrico, porém em um imã, não há um monopólio, desta forma, o imã sempre terá uma carga positiva e outra negativa.
Objetivo
Introduzir os conceitos do eletromagnetismo com base nas leis de Biot-Savart, Faraday e Maxwell.
Campo Magnético
Campo Magnético é a concentração de magnetismo que é criado em torno de uma carga magnética num determinado espaço.
É o ímã que cria o campo magnético, da mesma forma como é a carga elétrica e a massa que, respectivamente, criam os campos elétrico e gravitacional.
Isso pode ser mostrado através da imagem de um vetor, um ímã, que é representado pelo vetor B. As linhas de indução partem dos vetores de indução magnética e dirigem- se do polo norte para o polo sul.
Figura 1 - T, de Tesla é a unidade internacional de campo magnético.
Linhas do Campo Magnético
As linhas do campo magnético são tangentes, ou seja, elas não podem ser cortadas. Além disso, elas são curvas porque tem origem por mais do que uma massa. Isso porque os ímãs são dipolos e os seus polos - norte e sul - não podem ser separados.
Campo Magnético da Terra
Conhecido como campo geomagnético ou magnetosfera, o campo magnético terrestre surge do seu núcleo externo e pode ser percebido em toda o planeta.
Sua descoberta, uma das mais antigas, data do século XVI e foi feita por Willian Gilbert (1544-1603). Quando o físico reparou que as bússolas apontavam sempre para o norte, concluiu que, tal como um ímã, a Terra possuía os polos norte e sul.
O campo magnético terrestre protege a Terra da radiação solar, como se fosse um escudo, e é ele que torna possível viver nesse planeta.
Campo Eletromagnético
Campo eletromagnético é a concentração das cargas elétricas e magnéticas. Fenômeno estudado pela Física, a ligação entre eletricidade e magnetismo foi entendida e comprovada pelo físico James Clark Maxwell (1831-1879).
No campo eletromagnético, as cargas movimentam-se como ondas e, assim, são chamadas de onda eletromagnéticas. Exemplo disso é a luz.
Indução Eletromagnética
Indução eletromagnética é o fenômeno relacionado ao aparecimento de uma corrente elétrica em um condutor imerso em um campo magnético, quando ocorre variação do fluxo que o atravessa.
Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que a passagem de uma corrente elétrica em um condutor mudava a direção da agulha de uma bússola. Ou seja, ele descobriu o eletromagnetismo.
A partir daí muitos cientistas começaram a investigar mais profundamente a conexão entre os fenômenos elétricos e magnéticos.
Eles buscavam, principalmente, descobrir se o efeito contrário era possível, isto é, se os efeitos magnéticos poderiam gerar uma corrente elétrica.
Assim, em 1831, Michael Faraday com base em resultados experimentais, descobriu o fenômeno da indução eletromagnética.
A Lei de Faraday e a Lei de Lenz são duas leis fundamentais do eletromagnetismo e determinam a indução eletromagnética.
Experiências de Faraday
Faraday realizou inúmeras experiência a fim de entender melhor os fenômenos eletromagnéticos.
Em uma delas, utilizou um anel feito de ferro e enrolou um fio de cobre em uma metade do anel e outro fio de cobre na outra metade.
Ligou as extremidades do primeiro enrolamento com uma bateria e o segundo enrolamento conectou a um outro pedaço de fio de forma que passasse por uma bússola colocada a uma certa distância do anel.
No momento da ligação da bateria, identificou que a bússola variava sua direção, voltando a observar o mesmo quando desligava a ligação. Contudo, quando a corrente permanecia constante não havia movimento na bússola.
Assim, ele constatou que uma corrente elétrica induzia uma corrente em um outro condutor. Contudo, ainda faltava identificar se o mesmo ocorria utilizando ímãs permanentes.
Ao fazer um experimento movimentando um ímã cilíndrico dentro de uma bobina, ele pôde identificar o movimento da agulha de um galvanômetro ligado à bobina.
Desta forma, ele pôde concluir que o movimento de um ímã gera uma corrente elétrica em um condutor, ou seja a indução eletromagnética estava descoberta.
Lei de Faraday
A partir dos resultados encontrados, Faraday formulou uma lei para explicar o fenômeno da indução eletromagnética. Essa lei ficou conhecida como Lei de Faraday.
Esta lei enuncia que quando houver variação do fluxo magnético através de um circuito, surgirá nele uma força eletromotriz induzida.
Fórmula
A Lei de Faraday pode ser expressa matematicamente pela seguinte fórmula:
ε: força eletromotriz induzida (V)
ΔΦ: variação do fluxo magnético (Wb)
Δt: intervalo de tempo (s)
Lei de Lenz
Apesar de identificar que a corrente induzida variava de sentido, Faraday não conseguiu determinar como ocorria essa variação.
Então em 1834, o físico russo Heinrich Lenz, propôs uma regra para a definição do sentido da corrente induzida.
A Lei de Lenz enuncia que o sentido da corrente induzida é tal que o campo que ela produz se opõem à variação do fluxo magnético que a produziu.
Essa lei é representada na fórmula da força eletromotriz induzida através do sinal de menos.
Aplicações da Indução Eletromagnética
Geradores de corrente alternada
Uma das mais importantes aplicações da indução eletromagnética é na geração de energia elétrica. Com essa descoberta passou a ser possível a geração deste tipo de energia em larga escala.
Essa geração pode ocorrer em instalações complexas, como é o caso das usinas de energia elétrica, até as mais simples como nos dínamos de bicicletas.
Existem diversos tipos de usinas de energia elétrica, mas basicamente o funcionamento de todas utiliza o mesmo princípio. Nessas usinas, a produção de energia elétrica ocorre através da energia mecânica de rotação de um eixo.
Nas usinas hidrelétricas, por exemplo, a água é represada em grandes barragens. O desnível provocado por esse represamento faz com que a água se movimente.
Figura 2 - Esquema simplificado de uma usina hidrelétrica
Esse movimento é necessário para girar as pás da turbina que é ligada ao eixo do gerador de eletricidade. A corrente produzida é alternada, ou seja, seu sentido é variável.
Transformadores
A energia elétrica após ser produzida nas usinas é transportada para os centros consumidores através de sistemas de transmissão.
Contudo, antes de ser transportada para grandes distâncias, os dispositivos, chamados de transformadores, elevam a tensão para reduzir as perdas de energia.
Quando essa energia chega até o seu destino final, novamente ocorrerá a mudança no valor da tensão.
Assim, um transformador é um dispositivo que serve para modificar uma tensão alternada, ou seja, aumenta ou diminui o seu valor de acordo com a necessidade.
Basicamente um transformador é constituído por um núcleo de material ferromagnético no qual são enroladas duas bobinas independentes (enrolamento de fios).
A bobina conectada a fonte é chamada de primário, pois recebe a tensão que será transformada. A outra é chamada de secundário.
Figura 3 - Esquema de um transformador simples
Como a corrente que chega no primário é alternada, origina um fluxo magnético também alternado no núcleo do transformador. Essa variação do fluxo, gera uma corrente alternada induzida no secundário.
O aumentoou a diminuição da tensão induzida, depende da relação entre o número de espiras (voltas do fio) nas duas bobinas (primário e secundário).
Se o número de espiras no secundário for maior que no primário o transformador irá elevar a tensão e sendo ao contrário, ele irá abaixar a tensão.
Essa relação entre o número de espiras e a tensão, pode ser expressa usando-se a seguinte fórmula:
Sendo,
Up: tensão no primário (V)
Us: tensão no secundário (V)
Np: número de espiras do primário
Ns: número de espiras do secundário
Lei de Biot-Savart
Quando um condutor elétrico é atravessado por uma corrente elétrica, aparecerá espontaneamente um campo magnético em sua volta. Uma característica deste campo magnético é ser constituído por linhas de força que são circulares de forma que podemos colocar bússolas em diferentes pontos da extremidade do campo e o Norte de cada uma delas estará voltado sempre para a direção tangencial das linhas do campo. Este efeito foi descoberto por Hans Christian Oersted, que percebeu através de experiências que uma agulha magnética posicionada paralelamente a um condutor elétrico sofreria deflexão significativa em relação a sua posição original. Podemos saber a direção e o sentido do campo magnético gerado através da Regra da Mão Direita e o seu valor em diferentes pontos através da Lei de Biot-Savart.
Para aplicarmos a Regra da Mão Direita devemos apontar o dedo polegar na direção do condutor, para onde a corrente elétrica estiver correndo, e em seguida fechamos a nossa mão. A direção e também o sentido em que os dedos se fecharem apontam também a direção e o sentido do campo magnético. Na figura ao lado temos representado uma barra condutora de eletricidade azul, onde a corrente i vai da esquerda para a direita. Apontando o dedo polegar direito no sentindo em que flui a corrente, podemos fechar a nossa mão obtendo assim a direção e o sentido do campo magnético.
Hans Christian Oersted publicou os seus resultados, mas limitou-se a uma análise qualitativa do fenômeno. Após a publicação, outros cientistas foram incentivados a pesquisar sobre o assunto e então dois físicos franceses Jean-Baptiste Biot e Félix Savart foram capazes de deduzir uma lei que descrevia matematicamente o campo magnético que era gerado, lei essa que passou por vários estudos e modificações e quando foi finalizada, passou a ser conhecida por Lei de Biot-Savart.
A Lei de Biot-Savart é descrita por:
Onde R é a distância do centro do condutor até a linha de campo onde se deseja achar o valor do campo magnético, μ é a permeabilidade magnética do meio em que o condutor está imerso e I é o valor da corrente elétrica que passa pelo condutor. Podemos dizer que a intensidade do campo magnético é diretamente proporcional à corrente elétrica que passa pelo condutor e inversamente proporcional à distância entre o ponto de referência e o centro do fio.
As Equações de Maxwell
Figura 4 - James Clerk Maxwell
Baseando-se nos estudos de Michael Faraday, Maxwell unificou, em 1864, todos os fenômenos elétricos e magnéticos observáveis em um trabalho que estabeleceu conexões entre as várias teorias da época, derivando uma das mais elegantes teorias já formuladas.
Maxwell demonstrou, com essa nova teoria, que todos os fenômenos elétricos e magnéticos poderiam ser descritos em apenas quatro equações, conhecidas atualmente como Equações de Maxwell.
Essas são as equações básicas para o eletromagnetismo, assim como a lei da gravitação universal e as três leis de Newton são fundamentais para a Mecânica Clássica. 
Não serão apresentadas nesse artigo as deduções matemáticas das equações de Maxwell, uma vez que essas necessitam do conhecimento do Cálculo Diferencial e Integral, que somente é estudado na íntegra em cursos superiores.
As equações de Maxwell para o eletromagnetismo constam da unificação entre as Leis de Gauss, para a eletricidade e para o magnetismo, a Lei de Ampère generalizada e a Lei de Faraday para a Indução eletromagnética. 
Segue então as equações de Maxwell: 
1) Lei de Gauss para a eletricidade: Essa é a primeira das quatro equações de Maxwell, proposta originalmente pelo matemático alemão Carl Friedrich Gauss (1777-1855), é o equivalente à lei de Coulomb em situações estáticas. Ela relaciona os campos elétricos e suas fontes, as cargas elétricas, e pode ser aplicada mesmo para campos elétricos variáveis com o tempo. 
2) Lei de Gauss para o magnetismo: Esta lei é equivalente à primeira, mas aplicável aos campos magnéticos e evidenciando ainda a não existência de monopolos magnéticos (não existe polo sul ou polo norte isolado). De acordo com essa lei, as linhas de campo magnético são contínuas, ao contrário das linhas de força de um campo elétrico que se originam em cargas elétricas positivas e terminam em cargas elétricas negativas. 
3) Lei de Ampère: A lei de Ampère descreve a relação entre um campo magnético e a corrente elétrica que o origina. Ela estabelece que um campo magnético é sempre produzido por uma corrente elétrica ou por um campo elétrico variável. Essa segunda maneira de se obter um campo magnético foi prevista pelo próprio Maxwell, com base na simetria de natureza: se um campo magnético variável induz uma corrente elétrica, e consequentemente um campo elétrico, então um campo elétrico variável deve induzir um campo magnético. 
4) Lei de Faraday: A quarta das equações de Maxwell descreve as características do campo elétrico originando um fluxo magnético variável. Os campos magnéticos originados são variáveis no tempo, gerando assim campos elétricos do tipo rotacionais. 
Até o final do século XIX, acreditava-se que com estas equações não havia mais nada para ser descoberto na física. Porém, em 1900, Max Planck deu inicio à chamada Física quântica, com seus postulados sobre a radiação de corpo negro. 
Em 1905, Albert Einstein revoluciona de uma vez por todas os conhecimentos da ciência, lançando a Teoria da Relatividade e o Efeito Fotoelétrico, abrindo caminho para o maior desenvolvimento científico da história. 
As equações de Maxwell são consideradas o marco final do que chamamos de mecânica Clássica. Maxwell foi o primeiro físico a encontrar através de cálculos matemáticos a velocidade das ondas eletromagnéticas, tudo graças às suas famosas equações.
Conclusão
Através do estudo do campo magnético, foi possível um melhor estudo sobre os fenômenos elétricos e magnéticos que estão interligados. A partir destes estudos, foram possíveis a invenção e aperfeiçoamento de diversas coisas presentes em nosso cotidiano. Como: Motor, Cartões Magnéticos, Produção de energia, ondas de rádio, televisão e celulares.
Bibliografia
https://www.infoescola.com/eletromagnetismo/lei-de-biot-savart/
https://www.todamateria.com.br/campo-magnetico/
https://www.mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/as-equacoes-maxwell.htm
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/campo.php
https://www.estudopratico.com.br/campo-magnetico/